超高结构建造模架装备技术发展研究

房霆宸 龚 剑 朱毅敏

1. 同济大学土木工程学院 上海 200092；2. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；3. 上海超高层建筑智能建造工程技术研究中心 上海 200080

模架装备是超高层建筑建造的关键技术装备。国外关于模架装备的研发生产开始较早，其模架技术和机具总体发展水平高、技术装置先进，能满足异形、难度高的工程需要[1]。国外模架装备多以液压自升式爬模技术为主，该技术起源于20世纪70年代初的欧洲，完善于20世纪80年代，并在欧洲、美洲、日本等地得到推广应用。国外模架装备产业化水平高，代表性的模架装备企业有奥地利的DOKA、德国的PERI、德国的MEVA、英国的SGB、美国的RMD等，这些企业研发的液压爬模体系更新速度快、标准化程度极高、施工易用性很强。在这些专业模板公司中，DOKA、PERI所生产模板以其高品质在业内得到了广泛关注和认可，DOKA模板根据承载力的不同分为SKE50和SKE100这2种类型；PERI模板主要有CB、ACS、SKS和SSC这4种模板系统，该模板系统在设计软件方面取得了较大突破[2]。目前，液压爬模技术是国外超高混凝土结构施工的主流模架装备技术，如阿联酋Al Hamra（高412 m）、马来西亚石油大厦（高450 m）、俄罗斯联邦大厦（高506 m）、迪拜哈利法塔（高828 m）等工程均采用了液压爬模技术。

我国建筑行业模架装备与国外发达国家相比，虽然起步较晚，但是发展迅速。经过了30多年的发展，实现了从无到有、从模仿到创新、从低端到高端的发展。我国液压爬模技术主要采用的是引进、消化、吸收、再创新的方式，其中，上海建工集团是国内较早开发和采用液压爬模技术的企业。目前，国内模架装备产业主要由2类公司主导：一类是大型总承包施工企业，典型代表如上海建工集团和中国建筑集团；另一类是大量的专业化中小型模架公司，典型代表如北京卓良模板有限公司、江苏揽月工程科技集团有限公司等。

针对200 m以上超高层建筑施工模架装备，主要以上海建工集团研发的整体钢平台模架装备和中国建筑集团研发的施工装备集成平台这2种模架装备在超高层建筑中的应用较为广泛。整体爬升钢平台模架始于1990年，上海建工集团通过对液压爬模技术进行改进再创新研发而形成，该整体模架主要由整体钢平台、吊脚手架、筒架支撑、钢梁爬升系统以及模板系统等部分组成，采用非螺栓非焊接接触支撑连接方式，将双承力销竖向支撑装置作用在核心筒上的支承凹槽，通过动力系统驱动整体钢平台模架提升或爬升；施工装备集成平台由中国建筑集团于2008年研发形成，其主要由支承系统、钢框架系统、动力系统、挂架系统、监测系统、集成装备以及集成设施等组成，通过采用微凸支点及空间框架结构，实现受力骨架沿超高层建筑自爬升[3-4]。

针对200 m以下高层和超高层建造模架装备，其发展相对而言较为多元化，各大型总承包施工企业、中小型专业模架公司的产品技术特征、市场参与主体和经营模式、产业发展速度均有所不同。其中，北京卓良模板有限公司、北京建筑工程研究院、江苏江都揽月机械有限公司等公司以生产液压爬升模架为主，其开发的液压爬模产品不仅应用于国内工程建设，而且在海外也有一定的市场份额[5-6]。

1 模架准备技术标准研究

模架装备涉及钢结构、工程机械、液压、通信、电气自动化等多个专业，其作业施工环境复杂，需要有专门的标准对其施工作业进行规范和指导。关于整体模架装备标准体系的研究，我国脚手架标准规范根据不同时期行业发展的需要，大致经历了从无到有、由少到多、从借用到自编的过程。

1985年，我国通过参考国际标准ISO 4054:1980 Couplers, loose spigots and base-plates for use in working scaffolds made of steel tubes - Requirements and test procedure（钢管脚手架、对接销和底板要求及检验程序）编制了JGJ 22—1985《钢管脚手架扣件》。

1995年，为适应新的模架发展需要，编制了国家标准GB 15831—1995《钢管脚手架扣件》，并废止了JGJ 22—1985《钢管脚手架扣件》。

2006年，我国对《钢管脚手架扣件》进行了修订。2010年，我国通过参考日本国家标准JIS A8951—1995《钢管脚手架》，编制了GB 24910—2010《钢板冲压扣件》，并编制了GB 24911—2010《碗扣式钢管脚手架构件》。

2012年，我国编制了GB 50829—2012《租赁模板脚手架维护保养技术规范》。

2016年，我国编制了GB 51210－2016《建筑施工脚手架安全技术统一标准》。从以上标准的编制过程可以看出，我国关于脚手架的标准相对较多，已拥有一个较为完善的施工脚手架标准体系，但关于整体钢平台模架装备、施工集成平台方面的标准较少。鉴于此，2019年我国编制了行业标准JGJ 459—2019《整体爬升钢平台模架技术标准》和上海市地方标准DG/T H08-2304—2019《高层建筑整体钢平台模架体系技术标准》，该标准统一了我国整体钢平台模架装备的术语体系，建立了结构分析、设计计算标准，规范了构造要求，制定了作业安全规定。

2 0 2 0 年，编制了中国工程建设标准化协会标准T/CECS 744—2020《超高层建筑施工装备集成平台技术规程》，规定了集成平台的适用范围、设计参数、加工质量验收标准、安拆流程等，适用于集成平台的设计、制作、安装、验收、运行、维护及拆卸等阶段。以上各项标准的制定丰富和完善了我国脚手架标准体系，很好地促进了模架装备的发展与推广应用。

2 模架装备技术体系研究

开发适用于中国特色的模架装备是超高层建筑建造技术发展的难点，鉴于此，我国大量专家学者开展了关于模架装备技术体系的研究。叶可明[7]、俞锦昌等[8]设计了内筒外架整体自升式钢平台模架施工方法及装置，采用了全封闭整体模架形式，以蜗轮蜗杆升板机为动力系统，通过承重销接触支撑于主体结构上，并在上海东方明珠电视塔工程得到应用，解决了三筒体超高构筑物施工难题。范庆国等[9]在金茂大厦工程中采用了临时钢柱支撑式整体钢平台模架装备，通过全封闭整体模架设计，以升板机为动力系统，以临时钢柱为支撑系统，将承重销支撑于钢柱上，进行模架爬升，解决了金茂大厦超高工程施工难题。龚剑等[10]在上海环球金融中心工程中研发了格构柱支撑式整体自升钢平台脚手模板系统，该系统具有灵活多变、各种工况适应性强的特点，其空中分体组合的施工方法解决了核心筒劲性桁架层结构施工的难题，高空转换的施工方法解决了核心筒转换层结构体形变化的施工难题。胡玉银等[11]研发了集模板系统、操作平台系统、爬升机械系统、液压动力系统、自动控制系统等技术为一体的YAZJ-15液压自爬升模板系统，并成功应用于上海外滩中信城超高劲性核心筒施工。龚剑等[12]在广州塔工程中研发了劲性钢柱联合内筒外架支撑式整体钢平台模架技术，该技术采用混合支撑系统，利用结构劲性柱作为爬升支撑，实现了超高竖向结构与水平结构的同步施工，既减少了钢平台自重，又确保了结构劲性钢柱的就位安装精度。扶新立[13]在广州塔工程中研究了劲性钢柱整体钢平台模架装备空中分体施工技术，通过运用空中分体施工流程及施工方式，完成了钢板剪力墙的劲性混凝土结构施工和整体自爬升钢平台的提升。扶新立等[14]以上海中心大厦工程为例，研究了筒架支撑式液压爬升整体钢平台模架的工业化设计及安装工艺流程，提高了模架装备的工业化水平。龚剑等[15]在上海中心大厦工程中研发了筒架支撑式液压爬升整体钢平台模架技术，该装备基于单元式设计、整体式组装的理念，使各单元之间具有相对独立性，以便于高空拆分施工；采用了双层跳爬的施工方法，解决了核心筒多道凸出的劲性桁架层施工的难题。龚剑等[16]在上海北外滩白玉兰广场工程中研发了钢柱筒架交替支撑式液压爬升整体钢平台模架技术，该模板装备以工具式钢柱作为钢平台爬升时的支撑系统，有效地降低了施工成本；采用空中分体组合的施工方法，解决了核心筒伸臂桁架层的施工难题；采用外挂脚手架整体滑移的施工方法，解决了核心筒翼墙多次收分的施工难题。张琨等[17]研究了整体自动顶升回转式多吊机集成运行平台设计，提出的整体自动顶升回转式多吊机集成运行回转平台技术有利于优化吊机配置、发挥吊机功效，解决了多台吊机支点占用空间大、与其他施工设备协同作业冲突、各自爬升占用工期等问题。潘春龙等[18]研究了将结构施工过程所需的各类机械设备、配套设施、操作平台、防护设施以及智能监控等集成于一体的技术，采用各工序间错层流水施工的方式。龚剑及其合作者在文献[3]和文献[19]中提出了整体钢平台模架与起重塔吊、人货电梯、混凝土布料机等施工机械一体化集成技术，并开发出新型装备体系成功应用于上海徐家汇中心、宁波中心大厦等工程。杨德生等[20]提出了一种适用于超高层建筑水平结构同步施工的液压爬模与布料机一体化集成平台系统，并验证了其整体设计、力学分析计算以及施工工艺设计可行性。通过以上研究可以发现，关于模架装备体系的研究已经很成熟，目前正在往模架装备与施工机械一体化集成方向发展，但关于模架与施工塔吊、布料机等施工机械连接部位的连接方式及构造研究较少。

3 模架装备力学性能研究

关于模架装备力学性能研究，通过采用技术手段对模架受力性能、稳定性、设备部署、功能优化进行分析，可以很好地提高模架装备的综合性能。骆艳斌及其合作者在文献[21]和文献[22]中通过建立有限元模型，对整体钢平台模板体系的动力特性进行了详细分析，得到了其自振频率和振型。骆艳斌等[23]通过建立整体钢平台模板体系和建筑结构共同工作的2种连续梁分析模型，考虑建筑结构刚度的不确定性，采用区间分析法求解了整个体系的频率。朱佳伟等[24]通过对8个不同构造的主次梁螺栓连接节点进行有限元数值模拟和试验对比验证，研究了模块化整体钢平台钢梁间连接节点刚度的影响因素，分析了螺栓规格、节点螺栓数量以及翼缘连接等因素对主次梁螺栓连接节点抗弯刚度的影响。郭彦林等[25]以广州珠江新城西塔为例，研究了核心筒施工整体提模技术应用，分析了提模西塔钢平台及支撑柱在不同阶段的安全性和整体稳定性。朱利君[26]针对南京金鹰广场三塔体塔楼施工中的大型装备部署，从整体模架体系、塔吊、人货梯和混凝土泵送设施4个方面提出了工程应用实施方案。王开强等[27]在福州世茂国际中心工程中研究发现，通过将主桁架弦杆、斜撑等节点设计为统一的形式，取消主桁架端部的受压封板，有利于降低标准组件数量和用钢量。龚剑等[28]、赵传凯等[29]通过建立有限元模型的方法，研究了上海中心大厦核心筒施工所采用的整体钢平台模架体系的动力特性，给出了采用组合加固的方法改进整体钢平台模架体系设计的建议。高原等[30]采用气动弹性模型风洞试验的方法，进行了上海中心大厦施工钢平台模型风洞试验，明确了迎风面脚手架中部和侧风面脚手架下层中部为结构风振响应的危险区域。龚剑等[31]通过整体钢平台模架体系风洞试验，测量了整体钢平台模型在不同风速、不同风向角和提升前后两种工况下的位移和加速度响应。龚剑等[32]以随机振动理论为基础，分析了脉动风荷载作用下核心筒对于整体钢平台风振力的影响，明确了当核心筒高度较高时，核心筒的存在减小了钢平台顶部的风振力，对整体钢平台是有利的。骆艳斌等[33]采用自回归过滤技术，考虑三维空间相关性，对具有随机性的脉动风荷载进行有效的模拟，得出了整体钢平台模板体系提升工况下的位移响应远大于工作工况下的位移响应、迎风面的位移响应大于背风面位移响应的结论。以上专家学者关于模架装备的力学性能研究多以模架装备的有限元仿真分析研究和风洞试验研究为主，关于其受力机制的控制方程以及风荷载作业作用下整体模架的力学响应及其结构计算分析方法研究相对较少。

4 模架装备施工监控技术研究

关于模架装备施工监控技术，我国专家学者多以物联网结合监控系统的形式对模架装备现场施工状态进行监控。沈阳等[34]采用最不利条件下结构变形作为评估整体钢平台安全风险特性的核心指标，提出了变形预警指标的确定方法，并通过有限元模型计算获得四级变形预警指标值。刘志茂等[35]详细介绍了凸点顶模智能监测系统的设计、安装和应用，通过专用软件的整合与开发，实现了在三维模型中实时展现各个监测点的运行状态，根据监测数据对凸点顶模的使用进行智能控制与干预。赵一鸣等[36]根据超高层建筑施工整体钢平台模架装备远程监控的技术要求，从监控原则、对象、方法以及软硬件集成等方面，开展了对模架装备远程安全监控技术的研究，并以南京金鹰天地广场超高塔楼施工的钢平台模架装备作为工程范例，验证了研究成果的可行性和有效性。潘曦[37]通过开展无人自动爬升智能控制模板系统研究，提出了基于机器视觉的模架装备识别预警与结构受阻状态识别方法。黄玉林等[38]基于传感技术、组态软件技术和PLC控制技术，对超高层建筑爬升模架设备安全状态监测、评估、预警及控制进行研究，研发了智能支撑装置以及整体钢平台模架监控系统。左自波等[39]通过收集哈利法塔、上海中心大厦、中国台北101大厦等20个超高层安全监测工程实例，统计和分析了施工期和运营期的关键监测项目及指标，给出了整体钢平台模架装备的关键监测项目及预警指标。以上专家学者关于模架装备施工监控技术的研究多采用物联网监控技术为主，缺乏相应的智能算法和大数据识别支撑，如何引入人工智能算法、5G、工业互联网、智能识别等新技术，开展针对模架装备自身的施工控制以及施工现场“人、机、料、法、环”的智能化控制，将成为新的研究重点。

5 思考与建议

通过系统总结以上相关专家学者的研究工作，我们可以看出，目前关于模架装备的研究多以装备体系、局部受力、数值仿真、监测控制等为主，但关于风洞试验、模架与机械一体化集成、智能化施工控制等方面的深入研究相对较少，这也为下一阶段模架装备研究发展指明了方向。鉴于此，关于模架装备的发展提出以下建议：

1）针对模架装备标准体系，应重点开展风洞试验和数值仿真模拟研究，进一步明确模架装备受力机制及其计算参数选择，并逐步完善模架装备标准中的相关理论计算体系，如风荷载计算相关参数选择等。

2）针对200 m以上超高结构建造整体模架装备，应重点开展整体模架装备与塔吊、混凝土布料机、施工电梯等机械装备的一体化集成研究，并重点研究其一体化连接方式、一体化连接部位构造措施、协同施工性能等方面的研究，从功能、工艺、流程、安全、控制等方面集成上来整体提升模架装备的综合性能。

3）针对200 m以下高层及超高层结构建造整体模架装备，应重点开展模架装备轻量化、提升/爬升便捷化等方面的研究，使其更为轻便灵巧，从经济、高效上提升整体模架装备的市场竞争力。

4）针对模架装备控制系统，应基于工业建造理念引入智能算法提升模架装备的智能化控制技术水平，通过开展基于工业化理念的模架装备标准模块化构造组成、基于数字孪生技术的参数化设计系统开发等方面的研究，深入提升模架装备的工业化设计制作水平；通过开展基于人工智能算法的智能化控制系统的研究，实现对模架装备爬升操作、施工状态监控、施工机械控制等一体化智能化控制，从整体上提升模架装备的智能化水平。

5）针对模架装备成本控制问题，可基于标准模块化的工业化制作技术，深入开展可回收利用技术研究，提升模架装备重复周转使用率，进而降低其成本造价。

6）通过持续开展一体化集成技术、智能化控制系统、工业化制造、可循环利用等研究工作，不断提升模架装备的工业化和智能化水平，努力将模架装备发展成为真正的空中造楼机器人，是模架装备发展的最终目标，这对于模架装备的发展具有重要的研究意义和工程应用价值。